Электромагнитная совместимость автомобильной электроники

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Электромагнитная совместимость

Термин «электромагнитная совместимость» определяет способность электрической си­стемы сохранять нейтральность вблизи дру­гих систем, т.е. она не мешает работе этих систем и те, в свою очередь, не мешают ей. Вот о том, как осуществляется электромагнитная совместимость и подавление помех в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

С учетом этих требований автомобильные электрические системы и автомобили в целом проектируются для обеспечения электромагнитной совместимости (рис. «Электромагнитная совместимость в автомобилях» ).

Источники помех в автомобиле

Пульсации тока

Генератор питает автомобиль и его электри­ческую систему выпрямленным трехфазным током. Хотя ток этот довольно плавный и сгла­живается аккумуляторной батареей, однако остаточные пульсации все еще остаются. Их амплитуда зависит от нагрузки на электриче­скую систему автомобиля и проводку (рис. «Влияние конструкции автомобильной электрической системы на пульсации напряжения» ), а частота пульсаций изменяется в зависимости от частоты вращения генератора. Основная ча­стота пульсаций лежит в килогерцовом диапа­зоне. Пульсации могут накладываться на авто­мобильную звуковоспроизводящую систему непосредственно (гальваническим путем) или индуктивно, где их присутствие воспринима­ется как шум в громкоговорителях.

Импульсы помех

Импульсы помех образуются, когда в автомо­биле происходит включение или выключение электрического оборудования. Эти импульсы воспринимаются смежными системами непо­средственно через систему подачи питания или косвенно как эффект наведения. Если ис­точник помех и система, которая воспринимает импульс помехи, не согласованы друг с дру­гом, это может привести к ложным срабаты­ваниям и даже к разрушению смежных систем.

Импульсы, возникающие в автомобиле, могут быть классифицированы по пяти основным группам. Во избежание возникно­вения в электрической системе автомобиля неприемлемых ситуаций необходимо найти оптимальное решение, чтобы сделать источ­ники помех совместимыми с устройствами, чувствительными к помехам.

Амплитуды пульсации (разные у систем на 12 и 24 В) делятся на категории. При опреде­лении допустимого уровня излучаемых по­мех, источников пульсации и необходимой устойчивости чувствительных устройств про­изводится классификация всех источников помех в автомобиле как минимум на одну категорию ниже, чем все чувствительные устройства (например, блоки управления), включая отношение сигнала к помехам. Вы­бор категории подавления помех произво­дится согласно мерам, направленным либо на подавление источников помех, либо на защиту чувствительных устройств.

Высокая частота

Операции по переключению и текущие пере­дачи данных наводят во многих компонентах высокочастотные внутренние колебания. Эти колебания воздействуют на цепи компонен­тов — особенно линии подачи питания — и воз­вращаются в автомобильную систему электро­оборудования, куда они поступают с различной степенью ослабления интенсивности.

Независимо от того, является ли измеряе­мый спектр помех непрерывным или сово­купностью отдельных кривых, следует ясно представлять разницу между двумя видами источников помех: широкополосные источ­ники помех (электродвигатели — стеклоочи­стителей, вентиляторов, топливного насоса, генератора и разных электронных компо­нентов) или узкополосные источники помех (блоки управления с микропроцессорами). Эта классификация зависит от ширины диа­пазона используемого измерительного при­бора относительно характеристик сигнала (рис. «Источники широкополосных и узкополосных помех» ).

В автомобиле высокочастотные колебания могут представлять постоянный источник помех для систем связи; они находятся в пределах той же самой частоты и амплитуды, что и полезные сигналы, и поэтому легко проникают в автомобильные средства связи непосредственно через антенну или через ан­тенный кабель. Узкополосные помехи очень критичны, поскольку их характеристики сиг­нала очень похожи на спектр передатчиков.

Для источников широкополосных помех, таких как электрические двигатели, венти­ляторы и т.п., определяются излучаемые помехи на основе паразитных напряжений в питающих проводах в стандартизированных испытаниях. Они также частично оценива­ются по стандарту CISPR 25 или DIN/VDE 0879-2 посредством антенных измерений в безэховых камерах с высокочастотными поглотителями. Классификация напряже­ний помех и напряженностей полей помех, вызванных уровнями подавления помех, определяемых этими стандартами, упро­щают электромагнитную совместимость источников помех и чувствительных устройств, относящихся к оригинальному оборудованию автомобиля (табл. «Допустимые уровни подавления помех» и «Допустимые уровни напряженности поля помех» ).

Если уровень помех, изначально одобренный для оригинального оборудования автомобиля, оказывается слишком высоким при модифи­цировании дополнительных систем связи, это ограничивает меры по подавлению помех.

Если источник помех запитывается непо­средственно от выводов 15 или 30, тогда по­мехам можно противостоять посредством по­мехоподавляющих конденсаторов и фильтров, наиболее подходящих для применения в авто­мобилях. Конденсаторы обычно подсоединя­ются непосредственно к выводу источника и на массу. Помехи от проводников тока могут быть уменьшены посредством экранирования, с ко­ротким заземлением оплетки на обоих концах.

Если источником помех управляет ЭБУ, то обычно запрещается модифицировать проводку, идущую к источнику помех, т.к. это может привести к изменению коммути­рующего отклика ЭБУ.

Синхронизирующие сигналы от микро­процессоров в ЭБУ действуют подобно ис­точникам узко диапазонных помех. Обычно модифицирование системы подавления по­мех этими компонентами невозможно. Из­лучаемые помехи можно минимизировать, насколько это возможно, соответствующими схемами и устройствами (например, помехо­подавляющими конденсаторами) и подходя­щим расположением компонентов электро­проводки. Если этих мер по подавлению помех недостаточно, то нужно попытаться разрешить ситуацию путем оптимизации электрической системы, выбора наилучшего положения для антенны и прокладки антенного кабеля.

В лабораторных условиях оценка реагиро­вания электронных компонентов на помехи включает использование метода электропро­водящей линии (например, путем измерения уровня помех на линиях питания) или измере­ния антенн в безэховых камерах. Окончатель­ное мнение, касающееся приема (посредством радио или подвижных средств связи) в авто­мобиле, зависит от измерений помех в кабеле антенны, проводимых со стороны приемного устройства. Это вынуждает прибегнуть к спе­циальной измерительной цепи, чтобы сопоста­вить испытуемое полное входное сопротивле­ние приемника измерителя с сопротивлением приемного устройства автомобиля. Для полу­чения реалистичных результатов испытаний применяется настоящая антенна в начальном положении установки. Такие измерения, для того чтобы изолировать их от внешнего электромагнитного передатчика и сигналов помех, проводятся в экранированных камерах электромагнитного излучения, оснащенных высокочастотными поглотителями.

Автомобиль как источник помех

В автомобиле в целом основным источни­ком возникновения помех является работа системы зажигания. Уровни электромагнит­ного излучения, которые могут испускаться, определяются законодательными актами (Директива 95/54/ЕС). Директива нацелена на обеспечение радио — и телеприема без соз­дания помех в других автомобилях и в близ­лежащих зданиях. Максимальные пределы определяются и для широкополосных, и для узкополосных помех (рис. «Пределы паразитного излучения автомобилей» ).

Уровни, определенные в Директиве, являются минимальными требованиями. Простого следования ЕЭК 10 недостаточно для автомобилей, которые оснащены си­стемами связи. По этой причине нужно улучшать подавление помех для каждого конкретного типа автомобилей, чтобы до­стичь приемлемого радиоприема у автомо­бильных систем — магнитолы, мобильного телефона и пр. Излучаемые помехи систем зажигания можно уменьшить путем ис­пользования подходящих подавляющих компонентов (таких как резисторы в ка­тушках зажигания или высоковольтные Разъемы) и резистивных свечей зажига­ния. Может потребоваться частичное или полное экранирование системы зажигания на автомобиле, оснащенном двусторонней Радиосвязью. Такие меры подавления по­мех могут повлиять на питание системы зажигания. Поэтому в таких случаях не­обходимо проведение подробного анализа Целесообразности принимаемых мер.

Потенциально чувствительные устройства в автомобиле

Электронные блоки управления являются чувствительными к помехам, распростра­няющимся к системе извне. Помехи появля­ются от соседних систем в пределах одного автомобиля или от источников, находящихся в их непосредственной близости (например, создаваемые мощными радиовещательными передатчиками). Неправильные срабатыва­ния начинают появляться в точке, где система теряет способность делать различие между помехой и полезным сигналом.

Возможность принятия эффективных мер зависит от характеристик полезных и паразит­ных сигналов. Блок управления не может от­личить полезные сигналы от паразитных, если характеристика паразитного сигнала схожа с характеристикой полезного. Это имеет место, к примеру, когда паразитный сигнал по форме импульсов имеет ту же частоту, что и сигнал датчика частоты вращения колеса. Особенно критичными здесь являются частоты, близкие частоте (f_s≈f_N) и в том же диапазоне, что и не­которые из гармоник полезной частоты.

Не модулируемые (или модулируемые по звуковой частоте) синусоидальные высоко­частотные сигналы (напряженности полей передатчиков) могут демодулироваться в pn-переходах электронных схем. Это мо­жет привести к сдвигам уровня, вызванным компонентами постоянного тока, или к на­ложению переходных паразитных сигналов в результате демодуляции звукочастотных компонентов в паразитном сигнале. Обычно несущая частота кратна полезным частотам (f_s,HF >> f_N). Звукочастотные компоненты в паразитном сигнале будут особенно кри­тичны, если его частота близка частотам по­лезных сигналов (f_s,HF = f_N). Паразитные сиг­налы на гораздо более низких частотах, чем у полезных сигналов (f_s k = C/C₀ ; k_a = (C_а+C)/C₀; k_b = (C_b+C)/C₀

ϒl = j(ω/c) l; W = 1/(c·C0)

с = 3 · 10 8 м/с (скорость света).

U_b состоит из двух частей: емкостного ком­понента, зависящего от напряжения U, и ин­дуктивного компонента, зависящего от тока I. Если длина волны помехи является большей, чем длина проводника l, тогда уравнение упрощается до следующего вида:

Это показывает, что пересечение можно све­сти к минимуму, чем короче длина l, и чем меньше стандартизированная емкостная связь к.

k уменьшается с увеличением расстояния между проводниками. Его можно умень­шить еще больше, закоротив экранирующую оплетку на массу на обоих концах.

Прямая паразитная связь

Прямая паразитная связь может произойти, если датчик (S) или исполнительный механизм (А) непосредственно реагирует на электромагнитные поля (см. рис «Модель помех» ). Например, если датчиком является приемная антенна, микрофон или магнитная головка кассетного проигрывателя, или если для обнаружения электромагнитного поля он использует тот же принцип. В данном случае необходимо уменьшить эту связь путем увеличения расстояния между источником помехи и чувствительным оборудованием до тех пор, пока помеха не исчезнет.

В случае высоких частот архитектура на пе­чатных платах и интегральные схемы в элек­тронном оборудовании могут вести себя как приемные антенны. Здесь паразитную связь нужно предотвращать путем выбора подхо­дящих компонентов, конструкции и, что самое важное, электромагнитно-совместимой конструкции печатных плат.

Электростатический разряд

Источник потенциальной опасности для ком­понентов и электронных схем в виде электро­статического разряда должен проверяться на электромагнитную совместимость. Таким источником могут быть люди (одежда) или промышленное оборудование. Для борьбы с электростатическими разрядами, с одной стороны, должны применяться специальные технологии, а с другой стороны, оборудова­ние следует проектировать таким образом, чтобы крайне высокие напряжения (до не­скольких тысяч вольт), которые могут соз­даваться электростатическими разрядами, уменьшались до приемлемых уровней.

Методы измерения помех

В настоящее время нашли использование разнообразные методы испытаний, связан­ные с измерением помех и помехоустой­чивости. В зависимости от используемых методов измерения помех их можно грубо разделить на методы, действующие в диапазоне времени (генераторы импульсов, осцил­лографы) и действующие в диапазоне частот (генераторы синусоид, тестовые приемник, спектроанализаторы).

В методах измерения уровень помех определяется в виде опорных значений в дБ. Они составляют 1 мкВ для паразитного на­пряжения, 1 мкВ/м для напряженности элек­трического поля и 1 мВт для мощности, сто значит, что:

u* =20lg U; u* в дБ; U в мкВ.

е* = 20lg Е; е* в дБ; Е в мкВ.

р* = 20lg Р; р* в дБ; Р в мкВ.

В технологии измерений параметры (ампли­туда импульса и напряженность поля пере­датчика), используемые для подавления по­мех, обычно определяются непосредственно (Е в В/м; Uв В; I в А).

Измерения электромагнитной совмести­мости выполняются для отдельных компо­нентов, а также для системы в лабораторных условиях и в самом автомобиле.

Метод лабораторных испытаний

В стандартных условиях для анализа импульсов или напряжений высокочастотных помех, излу­чаемых устройствами, используются искусствен­ные автомобильные электрические системы.

Стойкость к импульсным помехам про­веряется с помощью специальных генерато­ров, выдающих контрольные импульсы по ISO 7637, часть 2 (табл. «Испытательные импульсы для автомобильных электрических систем на 12 и 24 В» ). Проникновение импульсных помех в сигнальные и управ­ляющие линии воспроизводится с помощью клещей ёмкостной связи по ISO 7637, часть 3.

Паразитные волны, проникающие в жгут проводов электрической системы, имитиру­ются с помощью полосковой линии передачи, ячейки ТЕМ (режим поперечных электромаг­нитных волн), или BCI (инжекция объёмного тока). При использовании полосового при­емника проводка помещается между прово­дником в форме полоски и основной пласти­ной. При использовании элемента ТЕМ блок управления и участок электропроводки рас­полагаются под прямыми углами к направ­лению распространения электромагнитных волн. При использовании метода BCI транс­форматор тока возбуждает ток в проводке.

Для более высоких частот (> 400 МГц) проверяемое устройство и монтажный жгут подвергаются излучению с помощью антенн и таким образом непосредственно выдержи­ваются в электромагнитном поле.

Все эти методы измерения описаны в различных разделах стандарта ISO 11452. Излучаемые помехи измеряются широкопо­лосными антеннами в экранированных безэховых камерах с внутренним поглощающим покрытием, по стандарту CISPR 25.

Выбор испытаний для проверки электромагнитной совместимости

Испытания для проверки электромагнитной со­вместимости, проводимые на электрическом или электронном устройстве, зависят от обла­сти применения компонента и его конструкции. Простые электромеханические устройства, не содержащие электронных компонентов, не про­веряются на помехоустойчивость с помощью электромагнитных полей. С другой стороны, для устройств, содержащих электронные ком­поненты, в программах испытаний необходимо предусмотреть ряд индивидуальных испытаний.

Методики испытания автомобилей

Устойчивость электронных систем к воздей­ствию электромагнитных полей, излучаемых мощными передатчиками, проверяется вну­три автомобиля в специальных безэховых камерах. Здесь может имитироваться на­пряженность электрического и магнитного полей, воздействующих на автомобиль (ISO 11451).

Влияние помех автомобильных электриче­ских и электронных приборов на радиоприем измеряется путем использования высоко­чувствительных измерительных приемников. Автомобильная антенна устанавливается в первоначальное положение и измерение проводится на входе приемника (CISPR 25).

Правила и стандарты

Подавление помех в автомобиле (защита немобильного, постоянно установленного радиоприема) стало обязательным в Европе с 1972 года (Предписание ЕС ЕСЕ10/Директива ЕС 72/245/ЕЕС). Начиная с 1.01.1996 г. обязательные законодательные требования появились относительно электромагнитной совместимости (Директива ЕС/ЕЭС) для всех электротехнических изделий и установок, которые продаются на рынке. Для автомобилей действует особая директива ЕС 95/54/ЕС, заменившая Директиву 72/245/ЕЕС и регламентирующая защиту стационарного радиоприема и устойчивость автомобилей к помехам от электромагнитных полей. В дополнение к нормам, регламентирующим конструкцию выпускаемых автомобилей и компонентов, эта директива также определяет методы и максимальные пределы.

Методы измерения электромагнитной совместимости определяются несколькими немецкими и международными стандартами. Национальные стандарты Германии (DIN/VDE) согласованы с международными стандартами (ISO/IEC-CISPR) и охватывают все аспекты, касающиеся электромагнитной совместимости для автомобилей (см. рис. «Схема эквивалентной цепи автомобильной электрической системы» ).

Источник статьи: http://press.ocenin.ru/elektromagnitnaya-sovmestimost/